固态硬盘恢复专题一

        SSD（Solid State Drive），即固态硬盘，是一种以半导体闪存（NAND Flash）作为介质的存储设备。和传统机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）不同，SSD以半导体存储数据，用纯电子电路实现，没有任何机械设备，这就决定了它在性能、功耗、可靠性等方面和HDD有很大不同。其实SSD的概念很早就有，但真正成为主流存储应用还是最近10年的事情。在2008年初，那时候只有很少的几家公司研发SSD，如今（2018年），已有上百家大小的公司参与其中。无论是在消费级还是企业级市场，SSD已经动了两家HDD巨无霸公司——西数（WD）和希捷（Seagate）的根基，正在取代HDD成为主流的存储设备。

先从开机速度说起。

过去，电脑启动一般需要几十秒甚至一分钟以上。开机，出去倒茶，回来，电脑还在打转转。如今，使用了SSD后，开机只要几秒钟。开机，正起身准备去倒茶，开机助手就已经提示你：本次开机8秒钟，击败全国99%的用户。速度快，是用户在使用SSD过程中最为直观的感受。那是什么成就了SSD的神速呢？除了速度快，相比HDD，SSD还有什么优点呢？这就得从SSD的原理说起了。
SSD是一种以半导体为主要存储介质、外形和数据传输接口与传统的HDD相同的存储产品目前主流SSD使用一种叫闪存的存储介质，未来随着存储半导体芯片技术的发展，它也可以使用更快、更可靠、更省电的新介质，例如3D XPoint、MRAM等。由于当前业界主要使用的还是闪存，所以本书讨论还是以闪存为主。
外观上，加上铝盒的2.5寸的SSD，和2.5寸HDD外观基本相同。除了有传统HDD的2.5寸和3.5寸的外观外，SSD还可以有更小的封装和尺寸，

SSD是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，主要部件为控制器和存储芯片，内部构造十分简单。详细来看，SSD硬件包括几大组成部分：主控、闪存、缓存芯片DRAM（可选，有些SSD上可能只有SRAM，并没有配置DRAM）、PCB（电源芯片、电阻、电容等）、接口（SATA、SAS、PCIe等），其主体就是一块PCB，如图1-3所示。软件角度，SSD内部运行固件（Firmware，FW）负责调度数据从接口端到介质端的读写，还包括嵌入核心的闪存介质寿命和可靠性管理调度算法，以及其他一些SSD内部算法。SSD控制器、闪存和固件是SSD的三大技术核心，

存储介质按物理材料的不同可分为三大类：光学存储介质、半导体存储介质和磁性存储介质。光学存储介质，就是大家之前都使用过的DVD、CD等光盘介质，靠光驱等主机读取或写入。在SSD出现之前，个人和企业的数据存储还是HDD的天下，HDD是以磁性存储介质来存储数据的；SSD出现以后，采取的是半导体芯片作为存储介质。现在及未来技术变革最快和主要方向还是半导体存储，从图1-4可以看出，半导体存储介质五花八门，目前可以看得出的主要方向还是闪存、3D XPoint、MRAM、RRAM等。

当前闪存生产供应商主要有Micron（美光）、Samsung（三星）、SK Hynix（现代海力士）、Toshiba（东芝）、WD&Sandisk（西数和闪迪），这几家基本上垄断了闪存市场，当然未来会有新的加入者，给用户以更多的选择。

SSD一路走来，从技术层面的发展演进和各个初创公司的涌现，到少数壮大，再到今天汇聚成一股强大的力量，推动SSD的普及应用，可谓不易。回顾SSD的历史，会让我们更深刻地理解这场技术革命对人类生活的改变是多么的艰辛和曲折，真可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。
早在1976年就出现了第一款使用RAM的SSD，1983年Psion公司的计算器使用了闪存存储卡，1991年SanDisk推出了20MB的闪存SSD。经过成千上万科学家、工程师以及各行各业的人40来年的努力，SSD终于改变了我们的生活。下面我们来回顾一下SSD的逆袭之路。

我们都知道芯片巨头Intel现在最赚钱的产品是CPU，但是在20世纪70年代，Intel最赚钱的产品是RAM，就是我们电脑内存条里面的芯片。当RAM刚被发明的时候，就有一些脑子灵活的人开始用很多RAM组装成容量很大的硬盘来卖。
据史料记载，1976年，Dataram公司开始出售叫作Bulk Core的SSD，容量是2MB（在当时很大了），使用了8块大电路板，每个板子有18个256KB的RAMRAM的优点是可以随机寻址，就是每次可以只读写一个字节的数据，速度很快；缺点也很明显，掉电数据就没了，价格还巨贵。其注定是土豪的玩具，不能进入寻常百姓家。
在以后的20多年时间里，TMS（Texas Memory Systems）、EMC、DEC等玩家不断推出各种RAM SSD，在这个小众的市场里自娱自乐。不过特别强调一下，最主要的玩家是TMS。

当SSD还在富豪的俱乐部里被把玩的时候，HDD却异军突起，迅速普及全世界。HDD本来也很昂贵，而且容量小，但是1988年费尔和格林贝格尔发现了巨磁阻效应，这个革命性的技术使得HDD容量变得很大，在各大企业的推广下，HDD进入千家万户。他们俩也因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。2013年全球卖出了5.7亿块HDD，市场为320亿美金。但是，HDD已经过了最鼎盛的时代。从2010年开始，HDD出货量一直在下滑

1967年，贝尔实验室的韩裔科学家姜大元和华裔科学家施敏一起发明了浮栅晶体管（Floating Gate Transistor），这是现在SSD基础——闪存的技术来源。学过MOS管的同学肯定对图1-9很熟悉，相比MOSFET就多了个Floating Gate，悬浮在中间，所以叫浮栅。它被高阻抗的材料包裹，和上下绝缘，能够保存电荷，而电荷通过量子隧道效应进入浮栅。
施敏：1936年生于南京，毕业于台湾大学，在斯坦福大学获得博士学位，是著名的物理学家，现于台湾的交通大学任教。期待SSD的普及能让他获得诺贝尔奖。

20世纪90年代末，终于有一些厂商开始尝试使用闪存制造SSD，进行艰难的市场探索。1997年，Altec Computer Systeme推出了一款并行SCSI闪存SSD，接着1999年BiTMICRO推出了18GB的闪存SSD，从此，闪存SSD逐渐取代RAM SSD，成为SSD市场的主流。闪存的特点是掉电后数据还在，真的像我们所知的硬盘了。
新技术的应用是如此之快，引起了科技巨头的关注。2002年比尔·盖茨就预见到了SSD的普及，他保守地说，有一种叫SSD的东西，未来三四年内将会成为某些平板电脑的硬盘。可惜的是微软那时候没有成功推广平板电脑。
从2003年开始，SSD的时代终于到来，SSD开始成为存储行业的一个热词，固态硬盘的概念开始为许多人所知晓。
2005年5月，三星电子宣布进入SSD市场，这是第一家进入这个市场的科技巨头。
2006年，NextCom制造的笔记本开始使用SSD。三星推出了32GB的SSD，并认为2007年SSD市场容量可达13亿美金，2010年将达到45亿美金。9月，三星推出了PRAM SSD，这另一种SSD技术，其采用了PRAM作为载体，三星希望能取代NOR闪存。
同年11月，微软的Windows Vista来到了市场上，这是第一款支持SSD特殊功能的PC操作系统。
2007年，Mtron和Memoright公司开发了2.5寸和3.5寸的闪存SSD，读写带宽和随机IOPS性能终于达到了最快的企业级HDD水平，同时闪存SSD开始在某些领域替代原来的RAM SSD。硬盘大战的序幕从此拉开。
2月份，Mtron推出的PATA SSD写速度为80MB/s，但是仅仅8个月后，Memoright的PATA和SATA SSD成为速度最快的——100MB/s的读写速度。
企业级市场玩家Violin Memory和Texas Memory Systems也推出了大型SSD。TMS的RamSan-500容量达2TB，DDR RAM作为缓存，闪存作为存储。随机读IOPS 100k，随机写10k，顺序读写带宽达到了惊人的2GB/s！

闪存厂商SanDisk、Micron也推出了一系列的SATA SSD，Toshiba也宣布要做SSD。年底的时候，市场上有60家SSD OEM厂商。
2008年，SSD厂商迅速达到了100家，就是说一年内新冒出了40家新的SSD厂商。这一年使用的闪存还是SLC。SLC虽然容量小、价格高，但是挡不住大家的热情，IOPS不断被打破。
EMC再次推出了使用SSD的网络存储系统Symmetrix DMX-4，上一次使用SSD是在20年前，不过那时候是RAM SSD。三星想要收购SanDisk，悲剧的是被拒绝了，还好Sandisk的股东脑子清醒，因为现在Sandisk已经是一家市值百亿美金的巨头（2015年SanDisk以190亿美元价格被西数收购）。Violin Memory甚至宣布他们的4TB 1010Memory Appliance可以达到4KB随机读带宽200k，随机写100k IOPS，支持PCIe、Fibre Channel和以太网接口。Fusion-IO的SSD开始为HP的BladeSystem服务器提供加速功能。
著名的OCZ公司开始进入2.5寸SSD市场。Intel开始出售X-25E 2.5寸32GB SATA SSD，读延迟75μs，10个通道，读写带宽分别是250/170MB/s。4KB随机读写带宽35k IOPS和3.3k IOPS。

PureSilicon公司的2.5寸SSD做到了1TB容量，由128片64Gb的MLC闪存组成。SSD终于在同样的空间内，实现了和HDD一样大的容量。这一点很重要，因为之前HDD厂商认为HDD的优势是容量增大很容易，增加盘片密度就可以了，成本很低，而SSD必须要内部芯片数量翻番才能实现容量翻倍。但是这款MLC SSD证明一个存储单元（Cell）多存几个比特也可以让容量翻几番，但是性能却远超HDD：读写带宽分别为240MB/s和215MB/s，读延迟小于100μs，随机读写分别为50k IOPS和10k IOPS。HDD厂商的危机来临了。
SSD的巨大革新惊动了很多技术大牛，Apple的早期创始人Steve Wozniak成为Fushion-IO的首席科学家。
大名鼎鼎的SandForce推出了第一代SSD控制器SF-1000，是当时最快的2.5寸SATA SSD芯片，拥有250MB/s读写带宽，30k IOPS。Intel为内部员工配备了1万台SSD笔记本。Micron的C300SSD实现读带宽355MB/s和写带宽215MB/s。
在SSD的热潮中，HDD的巨头希捷也坐不住了，试验性地开始销售SSD产品。2011年6月，Fusion-IO上市，市值18亿美金，后来一度达到40多亿美金，这家当年的明星公司没想到后来11亿美金便宜卖掉了，令人唏嘘不已，可见大家看好的SSD市场竞争异常激烈。
SandForce说他们的SSD控制器内置数据实时压缩功能，这使得SSD的使用寿命进一步延长，读写带宽也得到提高。因为经过压缩后，实际写入SSD内部的数据大幅度减少，这个实时压缩技术听起来简单，可是实现起来异常复杂，因为压缩之后每一个用户数据页的大小都不一样，映射表等的设计需要非常精妙。所以，至今仍然没有几家公司实现SSD内部压缩。不得不说，已经被轮番收购，最后落入希捷手中的SandForce是SSD控制器市场最成功的公司：做出了最成功的产品，技术非常精妙，市场又很成功。
新的厂商不断出现，巨头的土地兼并也开始了。几个著名的控制器芯片厂商消失：2011年年初，OCZ以3200万美金收购Indilinx；年底，老牌存储芯片玩家LSI以3.7亿美金收购了SandForce；2012年6月，Hynix收购了LAMD（Link A Media Devices）。
台式机和笔记本觉得SATA已经不够用了，SATA是为HDD设计的接口，最大速度是6Gbps，只能达到最高600MB/s的带宽（扣除协议开销，实际速度可能只有560MB/s左右），同时命令队列不够深，不适合SSD使用。SSD开始在协议上引发存储技术的变革。
同时出现了可以插在内存DIMM插槽里的SSD，容量大，速度快，掉电数据还在，就看用户怎么使用内存了。软件可得跟上啊！
闪存阵列厂商Violin Memory纳斯达克上市，让投资人悲催的是当天股价从9美金跌到7美金，两周后CEO Donald Basile被赶跑了。看来全闪存阵列的前景并不被看好。
年底，LSI被Avago以66亿美金收购。
SSD大放异彩需要整个生态链的支持，因为以前的软件和协议都是为慢速HDD设计的。现在它们需要适应快速的硬盘。
VMware的VSAN能够支持3～8个服务器节点。SanDisk的企业级存储软件ZetaScale
支持占用大量内存的应用，有了SSD后，DRAM作为缓存，SSD来存储程序数据，速度依然很快。这对有着大量数据的数据库来说非常有用，不用开发硬盘的接口了，数据都可以放在内存里面。
SanDisk 11亿美金收购Fusion-IO，希捷4.5亿美金收购Avago（LSI）的企业级SSD部门ASD和SSD控制器芯片部门FCD（SandForce）。
年底，原SandForce创始团队创建的创业公司Skyera被WD收购。
Tezarron说会在2016年采用Rambus的ReRAM来做SSD。
Northwest Logic开发的FPGA控制器可以支持Everspin的MRAM。
Toshiba发布48层3D闪存样品，容量16GB。
Diablo和Netlist打官司，Diablo赢了，官司的内容是ultrafast Flash DIMM。他们发布了Memory1，号称能在需要大内存的环境下替换内存。
不过Netlist宣布和Samsung合作开发Flash As RAM的DIMM。
SSD控制器厂商SMI 5700万美金收购了SSD厂商Shannon Systems——宝存科技。
7月，Intel和Micron宣布开发出了新型存储器——3D XPoint。
Pure Storage完成IPO，上市。
Crossbar D轮融资3500万美金，开发RRAM SSD。
WD 190亿美金收购Sandisk。
Google经过测试认为不值得花那么多钱去买SLC，其实MLC性价比更高。
NVMdurance再次融资，号称能延长闪存寿命。